第五章: 深度学习的模型与算法

第五章:深度学习:模型与算法
第一节:深度学习与机器学习的关系
第五章: 深度学习的模型与算法
深度学习的概念源于人工神经网络的研究,含多个隐藏层的多层感知器就是一种深度学习结构。深度学习是学习样本数据的内在规律和表示层次,是一个复杂的机器学习算法,在语音和图像识别方面取得的效果,远远超过先前相关技术。深度学习通过组合低层特征形成更加抽象的高层表示属性类别或特征,以发现数据的分布式特征表示。研究深度学习的动机在于建立模拟人脑进行分析学习的神经网络,它模仿人脑的机制来解释数据,例如图像,声音和文本等。 
我们之前在介绍机器学习的时候用了一个做菜的类比,那么让我们继续用从烹饪的角度来看一看人工智能,机器学习以及深度学习他们之间的关系吧。
想象着你在做一道大餐,人工智能就像是整个烹饪的过程,包括准备食材、烹饪技巧和调味品的选择等。机器学习就像是你学会了一些烹饪的技巧和方法,例如如何煎蛋、如何煮饭,这些技巧是通过实践和经验积累而来的。深度学习则是机器学习中的一种特殊技术,就像是你学会了如何运用高级厨具和烹饪技术,例如炖、焖、蒸等,能够更加深入地理解和处理复杂的食材和菜肴。
第二节:深度学习是一种特殊的机器学习
人工智能是一个大范畴,包含了机器学习和深度学习,而机器学习又是深度学习的一部分,它们之间是包含和被包含的关系。
机器学习是一种让计算机通过数据来学习和做出预测的方法,它使用标记好的数据来训练模型,然后模型可以根据输入数据的特征来做出预测。虽然机器学习主要用结构化数据,但也能处理非结构化数据,只是处理非结构化数据时需要做一些预处理,让数据变得更有条理。
深度学习是一种特殊的机器学习方法,它可以帮助计算机更好地理解和处理非结构化数据,比如文字和图片。深度学习可以自动提取特征,减少对专家的依赖。例如,如果我们有很多宠物的照片,想要把它们分成"猫"、"狗"、"仓鼠"等类别,深度学习可以帮助计算机找出哪些特征(比如耳朵的形状)最适合用来区分不同的动物。这样,计算机就可以更准确地分类新的动物照片了。
机器学习和深度学习可以进行不同类型的学习。比如,受监督学习需要使用标记好的数据集来训练模型,无监督学习则不需要标记的数据,模型可以自己找出数据中的模式。强化学习是一种让计算机在尝试不同操作后,根据环境的反馈来学习如何做出更好决策的方法。

特征
机器学习
深度学习
模型复杂度
通常较简单,使用传统算法和特征工程
可以是深层次、复杂的神经网络模型
特征提取
需要手动进行特征提取和选择
可以自动从原始数据中学习到特征表示
数据需求
对数据质量和数量有较高要求
对数据量有较高要求,能够从大量数据中学习特征
算法
包括传统的机器学习算法如决策树、SVM等
主要是神经网络和深度学习算法
训练速度
相对较快,可以在较小数据集上训练
相对较慢,需要大量数据和计算资源
预测性能
在某些任务上可能受到特征提取质量的限制
在大规模数据和复杂任务上通常表现更好
适用领域
适用于一般的预测、分类和回归任务
在图像识别、语音识别、自然语言处理等领域有广泛应用

深度学习与传统机器学习存在根本上的差异。在此示例中,领域专家需要花费相当长的时间对传统机器学习系统进行工程设计,才能检测到形成一只猫的身体特征。而对于深度学习,只需要向系统提供非常大量的猫图像,系统便可以自主学习形成猫的身体特征。
对于许多任务(例如,计算机视觉、语音识别、机器翻译和机器人)来说,深度学习系统的性能远胜于传统机器学习系统。这并不是说,构建深度学习系统与构建传统机器学习系统相比要轻松很多。虽然特征识别在深度学习中自主执行,但我们仍需要调整上千个超参数(按钮),才能确保深度学习模型的有效性。
第三节:如何定义深度学习
AWS  度学习是一种人工智能(AI)方法,用于教计算机以受人脑启发的方式处理数据。深度学习模型可以识别图片、文本、声音和其他数据中的复杂模式,从而生成准确的见解和预测。您可以使用深度学习方法自动执行通常需要人工智能完成的任务,例如描述图像或将声音文件转录为文本。https://aws.amazon.com/cn/what-is/deep-learning/
IBM  深度学习属于 机器学习,深度学习本质上是一个三层或更多层的神经网络。这些神经网络试图模拟人脑(尽管远未达到其功能),支持从大量数据中进行"学习"。虽然单层神经网络与多隐藏层神经网络的预测结果相近,但后者可以帮助优化和细化准确性。
百度百科 深度学习(DL,Deep Learning)是机器学习(ML,Machine Learning)领域中一个新的研究方向,它被引入机器学习使其更接近于最初的目标——人工智能(AI,Artificial Intelligence)。 
维基百科 深度学习(英語:deep learning)是机器学习的分支,是一種以人工神經網路為架構,對資料進行表徵學習的算法。深度学习中的形容词“深度”是指在网络中使用多层。早期的工作表明,线性感知器不能成为通用分类器,但具有非多项式激活函数和一个无限宽度隐藏层的网络可以成为通用分类器。
深度学习是机器学习中一种基于对数据进行表征学习的算法。观测值(例如一幅图像)可以使用多种方式来表示,如每个像素强度值的向量,或者更抽象地表示成一系列边、特定形状的区域等。而使用某些特定的表示方法更容易从实例中学习任务(例如,人脸识别或面部表情识别)。深度学习的好处是用非监督式或半监督式的特征学习和分层特征提取高效算法来替代手工获取特征。
那么,我们经常说的深度学习和神经网络又是什么关系呢?简单的说,深度学习 = 神经网络,深度学习和神经网络这两个术语在某些情况下可以互换使用,因为深度学习系统通常由多层次的神经网络组成。神经网络是深度学习的一种实现方式。深度学习通过多层次的神经网络来学习数据的表征,从而实现对复杂模式的学习和识别。神经网络模拟了人类神经系统的工作原理,通过大量的神经元和连接来处理输入数据,并通过反向传播算法来优化网络参数,使其能够更好地适应数据
当然,二者也有很多不同的地方,严格来说,深度学习是一种更广泛的概念,它涵盖了使用多层神经网络以及其他技术的方法来学习数据的表示。神经网络则是深度学习中的一种具体实现方式,它模拟了人类神经系统的结构和功能,通过神经元之间的连接来处理信息。因此,深度学习可能还涉及到其他技术和方法,而不仅仅局限于神经网络。
第四节:深度学习一般应用在哪些领域

深度学习目前的主要应用领域有

  1. 计算机视觉(Computer Vision)
  2. 自然语言处理(Natural Language Processing,NLP)
  3. 语音识别(Speech Recognition)
  4. 推荐系统(Recommendation Systems)
  5. 自动驾驶(Autonomous Driving)
  6. 医学影像分析(Medical Image Analysis)
  7. 游戏与强化学习(Games and Reinforcement Learning)
  8. 物联网(Internet of Things,IoT)


第五节:计算机视觉领域
计算机视觉领域应用主要有:图像分类、目标检测、图像分割、人脸识别等。

针对不同的角度对计算机视觉领域的模型和算法有着不同的分类,我们也可以从不同的分类里看到很多相同和不同的地方。
按照网络结构复杂度分类:
  1. 浅层网络:包括一些简单的卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN),如LeNet、AlexNet等。这些模型通常具有较少的网络层和参数。
  2. 中层网络:例如VGG、GoogLeNet等,这些模型通常具有更深的网络结构,能够提取更丰富的特征。
  3. 深层网络:如ResNet、Inception等,这些模型具有非常深的网络结构,通过残差连接等技术解决了深层网络训练过程中的梯度消失问题,进一步提升了性能。

按照应用场景分类:
  1. 图像分类:针对图像分类任务,常用的大模型包括AlexNet、VGG、ResNet等,它们使用了卷积层、池化层和全连接层等。
  2. 目标检测:针对目标检测任务,常用的大模型包括Faster R-CNN、YOLO(You Only Look Once)、SSD(Single Shot MultiBox Detector)等,它们使用了区域建议网络(Region Proposal Network,RPN)和各种特征融合技术。
  3. 图像分割:针对图像分割任务,常用的大模型包括FCN(Fully Convolutional Network)、U-Net等,它们使用了全卷积网络结构和跳跃连接技术。

按照任务性能级别分类:
  1. 经典模型:例如LeNet、AlexNet等,这些模型是早期的经典模型,在性能和效率上可能不如后续的模型,但对于某些简单任务仍然有用。
  2. 高性能模型:例如ResNet、Inception等,这些模型在图像分类、目标检测等任务上取得了很好的性能,在ImageNet等数据集上取得了领先水平的结果。
  3. 轻量级模型:例如MobileNet、EfficientNet等,这些模型在参数量和计算复杂度上做了优化,在移动设备等资源受限的环境下表现优异。


视觉领域的底层逻辑
在深度学习的视觉领域中,一些常用的大模型包括卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)和一些基于CNN的变种模型。卷积神经网络(CNN)是计算机视觉任务中最常用的深度学习算法之一,这些模型通常用于图像分类、目标检测、图像分割等任务。其基本逻辑如下:

这些算法通过构建深层的卷积神经网络,可以逐层提取图像的特征,并在最后一层进行分类或回归等操作,从而实现对图像的理解和处理。
5.1 计算机视觉领域的具体算法:

卷积神经网络(CNN)
深度残差网络(ResNet):
视觉变换器网络(Spatial Transformer Networks,STN):
生成对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN):
VGG(Visual Geometry Group):
Inception系列(GoogLeNet):
MobileNet:
EfficientNet:

第六节:自然语言处理(NLP)领域
自然语言处理领域应用主要有:语言模型、文本分类、机器翻译、命名实体识别等。
在自然语言处理(Natural Language Processing,NLP)领域,有许多知名的大模型,以下按照不同角度进行分类,并介绍它们所使用的算法、底层逻辑和实现方式:

按照网络结构复杂度分类:
  1. 经典模型:包括词袋模型(Bag of Words,BoW)、TF-IDF(Term Frequency-Inverse Document Frequency)等,这些模型主要用于文本表示和特征提取。
  2. 深度学习模型:包括循环神经网络(Recurrent Neural Networks,RNN)、长短时记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)、门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)、Transformer等,这些模型用于各种NLP任务,如文本分类、情感分析、机器翻译等。

按照应用场景分类:
  1. 文本分类:用于将文本分为不同的类别,常用模型有卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)、循环神经网络(RNN)、Transformer等。
  2. 情感分析:用于分析文本中的情感倾向,常用模型有RNN、LSTM、GRU等。
  3. 机器翻译:用于将一种语言的文本翻译成另一种语言,常用模型有Seq2Seq模型、Transformer等。

按照任务性能级别分类:
  1. 经典模型:如词袋模型、TF-IDF等,虽然简单但在某些任务上仍有一定的效果。
  2. 高性能模型:如Transformer等,这些模型在NLP领域取得了一系列的突破,如BERT、GPT等。

算法底层逻辑和实现方式:

6.1 计算机视觉领域的具体算法:
循环神经网络(RNN)
  1. 典型算法:基本的RNN结构、长短时记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)等。
  2. 基本逻辑:RNN通过不断迭代传递隐藏状态,可以处理序列数据,并具有记忆功能。LSTM和GRU是为了解决RNN中梯度消失和梯度爆炸问题而提出的改进型结构,具有更好的长期记忆能力和梯度流动性能。

卷积神经网络(CNN):
  1. 典型算法:卷积操作、池化操作等。
  2. 基本逻辑:CNN在NLP中主要用于文本分类和句子建模等任务,通过卷积操作提取局部特征,并通过池化操作降低特征维度。

Transformer模型:
  1. 典型算法:自注意力机制、位置编码、残差连接等。
  2. 基本逻辑:Transformer是一种基于注意力机制的模型,通过自注意力机制实现了对序列数据的建模,能够捕捉长距离依赖性,是目前NLP任务中最先进的模型之一。

BERT(Bidirectional Encoder Representations from Transformers):
  1. 典型算法:Transformer、Masked Language Model(MLM)、Next Sentence Prediction(NSP)等。
  2. 基本逻辑:BERT是一种预训练的语言模型,通过联合训练MLM和NSP任务,学习到了通用的文本表示,可以用于各种下游NLP任务的微调,取得了很好的效果。

GPT(Generative Pre-trained Transformer)系列模型:
  1. 典型算法:Transformer、自回归生成模型等。
  2. 基本逻辑:GPT系列模型是基于Transformer的自回归生成模型,通过预训练和微调,可以用于文本生成、对话系统等任务,具有很强的生成能力。

Seq2Seq模型:
  1. 典型算法:编码器-解码器结构、注意力机制等。
  2. 基本逻辑:Seq2Seq模型主要用于序列到序列的任务,如机器翻译、文本摘要等,通过编码器将输入序列编码为固定长度的向量表示,然后解码器将其解码为输出序列。

第七节:语音识别领域:
语音识别领域的应用主要就是语音识别、语音合成等。

在语音识别领域,Transformer模型也被广泛应用。下面我将按照不同角度对知名的大模型进行分类,并介绍它们所使用的算法及其底层逻辑和实现方式:
按照网络结构复杂度分类:
  1. 深度循环神经网络(Deep RNN):传统的语音识别模型,使用多层循环神经网络进行建模,如长短时记忆网络(LSTM)或门控循环单元(GRU)。
  2. 卷积神经网络(CNN):CNN在语音识别中也有应用,主要用于声学特征提取,如卷积神经网络声学模型(Convolutional Neural Network Acoustic Model,CNN-AM)。
  3. Transformer:Transformer模型在语音识别中的应用逐渐增多,主要用于其在序列建模中的优势,如自注意力机制能够捕捉长距离依赖性。

按照应用场景分类:
  1. 语音识别:用于将语音信号转换为文本,常用模型有Deep RNN、CNN、Transformer等。
  2. 语音合成:用于将文本转换为语音信号,常用模型有WaveNet、Tacotron、Transformer-TTS等。
  3. 语音情感识别:用于识别语音中的情感信息,常用模型有基于深度学习的情感分类模型。

按照任务性能级别分类:
  1. 经典模型:如基于HMM(Hidden Markov Model)的传统语音识别系统,已被深度学习模型逐渐取代。
  2. 高性能模型:如使用深度循环神经网络(如LSTM)或Transformer的模型,在一些语音识别比赛中表现优异。

算法底层逻辑和实现方式:
  1. 循环神经网络(RNN):RNN是一种适合序列数据建模的神经网络,其底层逻辑是通过不断迭代的方式传递信息,但容易出现梯度消失或梯度爆炸问题。
  2. 长短时记忆网络(LSTM):LSTM是一种特殊的RNN,通过门控机制(遗忘门、输入门、输出门)解决了梯度消失和梯度爆炸问题,适合处理长序列数据。
  3. 卷积神经网络(CNN:CNN在语音识别中主要用于声学特征提取,其底层逻辑是通过卷积操作提取局部特征,通过池化操作降低特征维度。
  4. Transformer:Transformer模型通过自注意力机制实现了对序列数据的建模,能够捕捉长距离依赖性,底层逻辑是通过多头注意力机制同时考虑输入序列的不同位置信息。

以上就是在语音识别领域常见的大模型及其所使用的算法、底层逻辑和实现方式。这些模型在不同的任务和场景中都取得了一定的成功,但在实际应用中仍然需要根据具体情况进行选择和调整。

7.1 计算机视觉领域的具体算法:
以下是一些常见的深度学习中语音识别的模型及其使用的典型算法及基本逻辑:
深度神经网络(DNN):
  1. 典型算法:多层感知机(Multilayer Perceptron,MLP)。
  2. 基本逻辑:DNN用于语音识别时,通常将声学特征(如MFCC)作为输入,通过多个隐藏层进行特征提取和分类,输出识别结果。

卷积神经网络(CNN):
  1. 典型算法:卷积操作、池化操作等。
  2. 基本逻辑:CNN在语音识别中主要用于声学特征提取,通过卷积层和池化层提取频谱特征,用于后续的分类任务。

循环神经网络(RNN):
  1. 典型算法:基本的RNN结构、长短时记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)等。
  2. 基本逻辑:RNN在语音识别中通常用于建模时序特征,能够捕捉语音信号中的时序信息,提高识别准确率。

深度神经网络和隐马尔可夫模型联合训练(DNN-HMM):
  1. 典型算法:DNN用于声学模型,HMM用于语言模型。
  2. 基本逻辑:DNN-HMM结合了DNN的特征提取能力和HMM的时序建模能力,用于提高语音识别的准确率。

CTC(Connectionist Temporal Classification):
  1. 典型算法:CTC损失函数。
  2. 基本逻辑:CTC是一种端到端的训练方法,用于直接从输入音频到输出文本的序列标注,无需对齐。

Listen, Attend and Spell模型(LAS):
  1. 典型算法:注意力机制、编码器-解码器结构。
  2. 基本逻辑:LAS模型通过注意力机制实现对输入序列的建模,能够更好地捕捉长距离依赖关系,提高语音识别的准确率。

第八节:推荐系统领域
推荐系统主要多见于在线商城的推荐,其它内容营销里的个性化推荐、内容推荐等。

第八章:推荐系统的模型及算法

矩阵分解模型:
  1. 典型算法:奇异值分解(SVD)、隐语义模型(Latent Factor Model,LFM)。
  2. 基本逻辑:矩阵分解模型通过将用户-物品评分矩阵分解为两个低维矩阵的乘积,学习到用户和物品的隐含特征表示。

深度学习中的矩阵分解模型:
  1. 典型算法:基于神经网络的矩阵分解(Neural Matrix Factorization,NMF)、多层感知机(Multilayer Perceptron,MLP)。
  2. 基本逻辑:这些模型利用神经网络的表达能力,学习到更复杂的用户和物品特征表示,提高了推荐的准确性。

卷积神经网络(CNN):
  1. 典型算法:卷积操作、池化操作等。
  2. 基本逻辑:CNN在推荐系统中常用于处理图像或文本特征,例如利用物品的图像或描述信息进行推荐。

循环神经网络(RNN):
  1. 典型算法:基本的RNN结构、长短时记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)等。
  2. 基本逻辑:RNN可以用于建模用户行为序列,例如用户的点击、购买等行为序列,从而提高推荐的准确性。

注意力机制模型:
  1. 典型算法:自注意力机制、注意力池化等。
  2. 基本逻辑:注意力机制模型可以根据用户的历史行为动态地调整对不同物品的关注程度,提高个性化推荐的效果。

深度强化学习模型:
  1. 典型算法:深度Q网络(Deep Q-Network,DQN)、策略梯度方法等。
  2. 基本逻辑:深度强化学习模型可以根据用户的反馈动态地调整推荐策略,提高推荐的效果。

第九节:自动驾驶领域的模型与算法
深度学习可以帮户自动驾驶来进行以下角度的学习与探索:

按照应用场景分类:
  1. 环境感知模型:用于识别和理解车辆周围环境的模型,包括障碍物检测、道路标志识别等。
  2. 算法:一般使用卷积神经网络(CNN)进行图像识别,例如YOLO(You Only Look Once)、SSD(Single Shot MultiBox Detector)等。
  3. 底层逻辑:通过卷积操作提取图像特征,并通过分类器识别不同的物体或道路标志。

路径规划模型:用于规划车辆行驶路径的模型,考虑到环境、车辆状态和目标。
  1. 算法:通常使用强化学习(Reinforcement Learning)或者基于模型的方法,如A*算法等。
  2. 底层逻辑:强化学习模型通过与环境的交互学习最优策略,基于模型的方法通过搜索算法找到最佳路径。

行为预测模型:用于预测其他车辆、行人等的行为,以便更好地规划车辆行驶策略。
  1. 算法:通常使用循环神经网络(RNN)或者长短时记忆网络(LSTM)等序列模型。
  2. 底层逻辑:通过学习历史轨迹和环境信息,预测未来可能的行为。

此外,还有医学印象分析,物联网等等其它学科与领域,深度学习也在不断的被应用起来。
第十节 小结
人工智能的实现主要依靠计算机,从最初的用计算机来模拟人类简单的知识,机器学习应运而生,根据人类对数据的标注告诉计算机开始记忆,运算,这就是机器学习的算法和模型的产生。随着神经学理论的不断发展,人类对人工智能的研究推向了另一个维度,就是让计算机根据已有的数据来计算,用数据来生成数据,这个就是深度学习,也就是神经网络的发展。 
本章节从深度学习话题出发,从不同的角度,尤其是从深度学习最重要的几个应用, 计算机视觉(Computer Vision)自然语言处理(Natural Language Processing,NLP)语音识别(Speech Recognition)出发,详细介绍了这些应用领域里的大模型,以及实现这些模型所依靠的算法和算法逻辑基础,希望能对大家的这些错综复杂的概念有些基本的厘清和认识。 

作者:niuroumian
时间:2024年2月23日



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